Grafico 2: Custo total de projeto por cenário em valor presente
6. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS
6.5 Cenário B3
O cenário B3 é caracterizado pela produção de lodo com teor de sólidos de 90% a partir da secagem térmica realizada nas ETE’s Beta e Gama. O lodo é, em seguida, transportado até os aterros sanitários Eins e Zwei, onde é disposto. O aterro Eins recebe o lodo da ETE Beta, enquanto os lodos processados na ETE Gama são direcionados ao aterro Zwei. Este cenário considera ainda o aproveitamento do biogás dos digestores nos processos de digestão anaeróbia e secagem térmica.
A seguir, são apresentados os resultados obtidos para as ETE’s Beta e Gama, de forma semelhante aos cenários B1 e B2.
6.5.1 Cálculo da massa específica do lodo
A massa específica do lodo com teor de sólidos de 90% foi estimada em 1.270 kg/m³.
6.5.2 Cálculo das massas de mistura e de água evaporada
As massas diárias desidratadas para secagem térmica e para mistura pós-secagem térmica, a massa final do lodo misturado e a massa de água evaporada obtidas são apresentadas na Tabela 43.
Tabela 43: Massas diárias de mistura e de água evaporada para o cenário B3
ETE Ano 2018 Ano 2030
M = 175.700,0 kg/d M = 181.200,0 kg/d Md = 585.666,7 kg/d Md = 604.000,0 kg/d Mds = 175.700,0 kg ST/d Mds = 181.200,0 kg ST/d Mdm = 0,0 kg ST/d Mdm = 0,0 kg ST/d Mm = 195.222,2 kg/d Mm = 201.333,3 kg/d Beta Mae = 390.444,4 kg H2O/d Mae = 402.666,7 kg H2O/d M = 203.100,0 kg/d M = 237.800,0 kg/d Md = 677.000,0 kg/d Md = 792.666,7 kg/d Mds = 203.100,0 kg ST/d Mds = 237.800,0 kg ST/d Mdm = 0,0 kg ST/d Mdm = 0,0 kg ST/d Mm = 225.666,7 kg/d Mm = 264.222,2 kg/d Gama Mae = 451.333,3 kg H2O/d Mae = 528.444,4 kg H2O/d
Com M = Massa seca total de lodo desidratado (kg ST) Md = Massa de lodo desidratado (kg)
Mds = Massa seca de lodo desidratado para secagem térmica (kg ST) Mdm = Massa seca de lodo desidratado para mistura (kg ST)
Mm = Massa de lodo misturado (kg) Mae = Massa de água evaporada (kg H2O)
6.5.3 Cálculo do número de secadores térmicos
O número de secadores térmicos foi determinado a partir da massa de água evaporada referente às produções de lodo de descarte do ano 2030 e da capacidade térmica do secador térmico. A Tabela 44 mostra os resultados obtidos para cada ETE, considerando a capacidade de 8.100 kgH2O/h.
Tabela 44: Número de secadores térmicos por ETE para o cenário B3
ETE TS Mae (kg/d) Mae (kg/h) n
Beta 90% 402.667 16.778 02
Gama 90% 528.444 22.019 03
6.5.4 Balanços de massa-volume
Assim como nos cenários B1 e B2, aqui os balanços diários de massa-volume das ETE’s Alfa e Delta são semelhantes aos apresentados para o cenário A1. A única diferença é o destino final, que, neste caso, também é a ETE Gama, que processa termicamente os lodos desidratados das outras duas estações.
As Figuras 31 e 32 esquematizam os balanços diários de massa-volume das ETE’s Beta e Gama para o cenário B3.
Figura 31: Balanço diário de massa-volume da ETE Beta para o cenário B3
6.5.5 Balanços energéticos
Após a utilização do biogás gerado nos digestores no próprio processo de digestão anaeróbia, se há excedente, os secadores térmicos também são abastecidos com ele, em lugar do gás natural. Mas não há aproveitamento do biogás excedente após a secagem térmica para geração de eletricidade.
As Tabelas 45 e 46 apresentam os resultados dos cálculos para o balanço energético das ETE’s Beta e Gama, dado o saldo já calculado da digestão anaeróbia.
Tabela 45: Cálculo do balanço energético diário da ETE Beta para o cenário B3 Secador Térmico
SALDO DA DIGESTÃO 3342297,55 MJ
Massa seca de lodo desidratado 175.700,00 kg ST
Massa seca de lodo importada de outras ETE’s 0,00 kg ST
Massa seca de lodo total 175.700,00 kg ST
Massa seca de lodo desidratado para mistura 0,00 kg ST
Massa seca de lodo desidratado para secagem térmica 175.700,00 kg ST
Massa de água evaporada 390.444,44 kg H2O
Consumo de energia elétrica (Eq. 13) 90.638,89 MJ
Consumo de água potável (Eq. 7) 15,62 m³
Calor total requerido (Eq. 14) 1.448.781,85 MJ
Biogás requerido (Eq. 15) 69.222,80 Nm³
Biogás produzido (pós-digestão) 159.694,98 Nm³
SALDO DA SECAGEM TÉRMICA (produzido - requerido) -90.472,18 Nm³
Déficit de Biogás (Eq. 16) 0,00 Nm³
Calor requerido pelo déficit 0,00 MJ
Quantidade de gás natural necessária (Eq. 17) 0,00 Nm³
Quantidade de biogás utilizada 69.222,80 Nm³
Quantidade de biogás excedente 90.472,18 Nm³
Calor de biogás utilizado 1.448.781,85 MJ
Calor de biogás excedente 1.893.515,70 MJ
Tabela 46: Cálculo do balanço energético diário da ETE Gama para o cenário B3 Secador Térmico
SALDO DA DIGESTÃO 1.099.414,85 MJ
Massa seca de lodo desidratado 62.200,00 kg ST
Massa seca de lodo importada de outras ETE’s 140.900,00 kg ST
Massa seca de lodo total 203.100,00 kg ST
Massa seca de lodo desidratado para mistura 0,00 kg ST
Massa seca de lodo desidratado para secagem térmica 203.100,00 kg ST
Massa de água evaporada 451.333,33 kg H2O
Consumo de energia elétrica (Eq. 13) 104.773,81 MJ
Consumo de água potável (Eq. 7) 18,05 m³
Calor total requerido (Eq. 14) 1.674.715,95 MJ
Biogás requerido (Eq. 15) 80.017,93 Nm³
Biogás produzido (pós-digestão) 52.530,04 Nm³
SALDO DA SECAGEM TÉRMICA (produzido - requerido) 27.487,89 Nm³
Déficit de Biogás (Eq. 16) 27.487,89 Nm³
Calor requerido pelo déficit 575.301,11 MJ
Quantidade de gás natural necessária (Eq. 17) 15.169,92 Nm³
Quantidade de biogás utilizada 52.530,04 Nm³
Quantidade de biogás excedente 0,00 Nm³
Calor de biogás utilizado 1.099.414,85 MJ
Os valores negativos do saldo energético da secagem térmica indicam que a quantidade diária de biogás excedente do processo de digestão anaeróbia é superior à quantidade demandada diariamente pelos secadores térmicos e, consequentemente, a demanda por gás natural é nula.
As Figuras 33 e 34 seguintes esquematizam o balanço energético diário das ETE’s Beta e Gama.
Figura 33: Balanço energético diário da ETE Beta para o cenário B3
Figura 34: Balanço energético diário da ETE Gama para o cenário B3 6.5.6 Custos totais
A Tabela 47 mostra os custos de capital e os custos anuais de pessoal, operação, manutenção, insumos, depreciação, transporte e disposição em aterro sanitário das ETE’s Beta e Gama para o cenário B3. Aqui se incluem os custos associados ao processo de secagem térmica, de modo que não são mais nulos os custos de capital e de O&M.
A Tabela 48, por sua vez, apresenta o custo total de projeto em valor presente. Lembra-se, aqui, que os custos de transporte incluem os custos de transporte do lodo desidratado das ETE’s Alfa e Delta até a ETE Gama, de onde parte todo o lodo seco a 90% de teor de sólidos até o aterro sanitário Zwei.
Tabela 47: Custos de capital + custos anuais totais do cenário B3 (em R$)
ETE Capital Pessoal Operação Manutenção Insumos Depreciação Transporte Sanitário Aterro Subtotal
Beta 30.000.000,00 271.700,00 285.000,00 1.425.000,00 1.831.777,92 2.000.000,00 1.438.092,58 5.622.400,00 42.873.970,50
Gama 45.000.000,00 271.700,00 427.500,00 2.137.500,00 8.670.842,85 3.000.000,00 4.051.259,41 9.748.800,00 73.307.602,27
TOTAL 75.000.000,00 543.400,00 712.500,00 3.562.500,00 10.502.620,77 5.000.000,00 5.489.351,99 15.371.200,00 116.181.572,77
Tabela 48: Custo total de projeto em valor presente do cenário B3 (em R$) Operação e Manutenção Capital
Pessoal Operação Manutenção Insumos Depreciação Transporte Aterro sanitário TOTAL
6.6 Cenário C1
O cenário C1 é caracterizado pelo uso do lodo seco a 90% em áreas agrícolas. A este nível de teor de sólidos, conferido pela secagem térmica, o lodo se encontra dentro dos padrões aceitáveis para uso na agricultura, de modo que este se torna uma alternativa interessante à disposição em aterros sanitários. Essa opção, no entanto, depende não somente da atuação da Companhia de Saneamento, como também da participação dos agricultores.
Este cenário apresenta as mesmas características do cenário B3, com exceção da destinação final. Por isso, todos os cálculos já apresentados anteriormente valem para este caso. Considera-se, aqui, que o lodo proveniente da ETE Beta é direcionado para uma área a 70 km da estação; enquanto o lodo da ETE Gama é usado numa cultura de eucalipto localizada a 50 km da estação.
A Figura 35 esquematiza o balanço de massa-volume da ETE Gama para o cenário C1. Observa-se que os valores são os mesmos do cenário B3. A diferença é o destino final.
Figura 35: Balanço diário de massa-volume da ETE Gama para o cenário C1 6.6.1 Custos totais
A Tabela 49 mostra os custos de capital e os custos anuais de pessoal, operação, manutenção, insumos, depreciação e transporte das ETE’s Beta e Gama para o cenário C1.
Já a Tabela 50 apresenta o custo total de projeto em valor presente. Lembra-se, aqui, que os custos de transporte incluem os custos de transporte do lodo desidratado das ETE’s Alfa e Delta até a ETE Gama, de onde parte todo o lodo seco a 90% de teor de sólidos para a área agrícola.
Tabela 49: Custos de capital + custos anuais totais do cenário C1 (em R$)
ETE Capital Pessoal Operação Manutenção Insumos Depreciação Transporte Subtotal
Beta 30.000.000,00 271.700,00 285.000,00 1.425.000,00 1.831.777,92 2.000.000,00 3.452.227,85 39.265.705,77
Gama 45.000.000,00 271.700,00 427.500,00 2.137.500,00 8.670.842,85 3.000.000,00 5.828.982,25 65.336.525,10
TOTAL 75.000.000,00 543.400,00 712.500,00 3.562.500,00 10.502.620,77 5.000.000,00 9.281.210,09 104.602.230,87
Tabela 50: Custo total de projeto em valor presente do cenário C1 (em R$)
Operação e Manutenção Capital
Pessoal Operação Manutenção Insumos Depreciação Transporte TOTAL
7. DISCUSSÃO DE RESULTADOS
Neste item são apresentados de forma compilada os resultados obtidos, de modo que seja facilitada a análise técnico-econômica para cada cenário.
Inicialmente, a Tabela 51 apresenta os custos de capital e os custos anuais totais por cenário, em R$. As receitas provenientes da venda da eletricidade gerada através do biogás dos digestores anaeróbios também foram computadas, sendo apresentadas precedidas de sinal negativo.
Tabela 51: Custos de capital + custos anuais totais por cenário (em R$)
Cenário Capital Manutenção Operação e Transporte sanitário Aterro Eletricidade Subtotal
A1 0,00 0,00 9.845.579,23 46.113.600,00 0,00 55.959.179,23 A2 44.969.968,20 0,00 9.845.579,23 46.113.600,00 -5.828.107,88 95.101.039,55 B1 45.000.000,00 8.477.930,37 7.828.157,15 27.668.160,00 0,00 88.974.247,52 B2 60.000.000,00 16.163.386,85 6.078.986,18 18.445.440,00 0,00 100.687.813,03 B3 75.000.000,00 20.321.020,77 5.489.351,99 15.371.200,00 0,00 116.181.572,77 C1 75.000.000,00 20.321.020,77 9.281.210,09 0,00 0,00 104.602.230,87
Observa-se que o cenário B3 é o que apresenta o maior custo, quando somados o custo de capital e o custo total do primeiro ano. Entretanto, quando não se computa o custo de capital, o cenário A1 passa a ser o mais oneroso anualmente, como mostrado na Tabela 52.
A manutenção do procedimento atual, isto é, a simples desidratação mecânica a um teor de sólidos de 30%, seguida da disposição nos aterros sanitários Eins e Zwei, representa, de todas as opções, os maiores custos anuais para a Companhia de Saneamento.
Observa-se, ainda, que são equivalentes os custos dos cenários que incluem a secagem térmica, independente do teor de sólidos alcançado.
Tabela 52: Custos anuais totais por cenário e por tonelada úmida processada (em R$)
Cenário Manutenção Operação e Transporte sanitário Aterro Eletricidade Subtotal Custo/t
A1 0,00 9.845.579,23 46.113.600,00 0,00 55.959.179,23 123,11 A2 0,00 9.845.579,23 46.113.600,00 -5.828.107,88 50.131.071,35 110,28 B1 8.477.930,37 7.828.157,15 27.668.160,00 0,00 43.974.247,52 96,74 B2 16.163.386,85 6.078.986,18 18.445.440,00 0,00 40.687.813,03 89,51 B3 20.321.020,77 5.489.351,99 15.371.200,00 0,00 41.181.572,77 90,60 C1 20.321.020,77 9.281.210,09 0,00 0,00 29.602.230,87 65,12
Ainda com base na Tabela 52, é possível observar que a disposição em aterros sanitários representa a maior parcela dos custos totais quando se trata do procedimento atual.
Quando, porém, se inclui a secagem térmica nas etapas de gerenciamento do lodo, percebe-se uma redução significativa dos custos com aterro e um incremento dos custos de O&M. Isso se dá, pois a secagem térmica reduz o volume do lodo, acarretando redução dos custos com transporte e com disposição final; entretanto, por se tratar de uma nova instalação, surgem associados custos adicionais de operação e manutenção.
Os custos com disposição em aterros do cenário B3, caracterizado pela produção de lodo seco a 90%, representam apenas um terço daqueles do cenário que simula o procedimento atualmente empreendido pela Companhia de Saneamento. Os custos de O&M, no entanto, são os maiores. Mesmo assim, os custos anuais totais ainda são menores que os dos cenários A1 e A2.
O Gráfico 1 ilustra os custos anuais com transporte e disposição em aterros sanitários e os custos anuais totais por cenário. Observa-se que, à medida que o teor de sólidos aumenta, os custos com transporte e aterro diminuem. Os custos anuais totais também sofrem redução. O cenário C1 se diferencia dos outros, pois o lodo, neste caso, é destinado ao uso em culturas de eucalipto.
Gráfico 1: Custos com transporte e disposição em aterros sanitários e custos anuais totais
Diante disso, é possível perceber o impacto positivo da inclusão da secagem térmica nas etapas do gerenciamento de lodo, embora o custo de capital seja elevado.
No que diz respeito ao aproveitamento do biogás para geração de energia elétrica, observa-se o elevado custo de capital devido ao alto valor de compra das turbinas a gás. Quando todos os custos são trazidos para o valor presente, percebe-se que será necessário o tempo de projeto de 20 anos para cobrir o custo de capital das turbinas com as receitas geradas pela venda da energia elétrica.
Tabela 53: Custo total de projeto em valor presente por cenário (em R$)
Cenário Capital Manutenção Operação e Transporte sanitário Aterro Eletricidade Subtotal
A1 0,00 0,00 73.540.999,01 344.442.935,51 0,00 417.983.934,52 A2 44.969.968,20 0,00 73.540.999,01 344.442.935,51 -43.532.723,24 419.421.179,49 B1 45.000.000,00 63.325.422,93 58.471.978,53 206.665.761,31 0,00 373.463.162,78 B2 60.000.000,00 120.731.506,86 45.406.644,54 137.777.174,21 0,00 363.915.325,60 B3 75.000.000,00 151.786.719,06 41.002.405,26 114.814.311,84 0,00 382.603.436,16 C1 75.000.000,00 151.786.719,06 69.325.475,55 0,00 0,00 296.112.194,61
Com base na Tabela 53, tem-se que o maior custo de projeto em valor presente se refere ao cenário A1, ou seja, ao procedimento atualmente empreendido na Região Metropolitana de Schönestadt. Quando da decisão de utilizar o biogás gerado no procedimento atual, as receitas com a venda de eletricidade durante 20 anos se equivalem ao custo de capital das turbinas a gás. Além disso, o custo total de projeto é ainda ligeiramente maior que o do cenário A1.
Os cenários que incluem a secagem térmica, por sua vez, apresentam custos totais de projeto em valor presente inferiores aos cenários A1 e A2, o que indica vantagens em sua implantação nas estações de tratamento de esgoto da região.
A opção pelo uso do lodo em áreas agrícolas, característica do cenário C1, também apresenta custos totais de projeto em valor presente inferiores aos dos cenários correspondentes ao procedimento atual. Embora seja ambientalmente a melhor opção, pois dá ao lodo um uso produtivo, o sucesso da implantação dessa alternativa depende da cooperação e do comprometimento dos agricultores.
O Gráfico 2 ilustra o custo total de projeto para cada cenário em valor presente.
8. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Com base nos resultados obtidos no presente trabalho foi possível concluir que a manutenção da prática atual mais usualmente adotada no país, desidratação mecânica seguida de disposição em aterros sanitários, representa maiores custos para as companhias de saneamento no longo prazo. Além disso, a disponibilidade de áreas livres para implantação de novos aterros está cada vez menor e as condicionantes ambientais estão cada vez mais restritivas, de modo que se torna imperativo pensar em novas opções de gerenciamento do lodo.
Diante disso, a secagem térmica tem se mostrado como opção tecnológica consolidada bastante promissora. Seu uso acarreta menores custos com transporte e disposição em aterros sanitários devido à redução da quantidade de lodo a receber destino final adequado. Em termos ambientais, existe a questão relacionada às emissões atmosféricas durante o processo de secagem. Entretanto, as unidades do processo já contam com mecanismos de tratamento dos gases, de modo que as emissões estejam de acordo com os padrões de lançamento vigentes.
O uso do biogás como fonte combustível para os processos de digestão anaeróbia e de secagem térmica tem crescido nos últimos anos. Com isso, dá-se a este gás liberado nos digestores um uso produtivo. Ademais, reduz-se a demanda por gás natural, combustível fóssil que contribui para a intensificação do efeito-estufa. Desse modo, as estações de tratamento de esgoto passam a contribuir para a redução das emissões de gases-estufa com o uso do biogás.
Já a produção de eletricidade a partir do biogás não constitui o objetivo principal das estações de tratamento, embora seja um uso produtivo do gás excedente. O custo de capital das turbinas a gás, no entanto, é extremamente elevado, de modo que se torna praticamente inviável. O prazo de retorno do investimento é de aproximadamente 20 anos, com base nos resultados obtidos no presente trabalho. Diante disso, é melhor que o biogás seja primeiramente usado como combustível para os próprios processos de tratamento, já que este é o objetivo maior das ETE’s.
Quanto à destinação final do lodo, deve-se pensar a disposição em aterros sanitários como opção última. Antes, deve-se procurar atribuir ao lodo usos produtivos, tais como o uso agrícola e em áreas degradadas, a incorporação como matéria-prima em indústrias de material cerâmico e cimento, a recuperação de materiais. A incineração também surge como opção tecnológica para redução máxima de volume de lodo. No entanto, ainda assim é necessário dar destinação final adequada às cinzas resultantes do processo.
De qualquer modo, já existem opções tecnológicas para melhoria do gerenciamento do lodo nas grandes cidades. Algumas delas dependem exclusivamente das companhias de saneamento ambiental, tais como a secagem térmica e a incineração. Outras, no entanto, estão vinculadas ao
mercado, pois dependem da cooperação e do comprometimento de terceiros. Entre estas estão o uso agrícola, o reuso industrial e a recuperação de materiais. A própria disposição em aterros sanitários depende da disponibilidade deste para receber o lodo, uma vez que a disposição dos resíduos sólidos urbanos é a principal finalidade.
Em todo caso, a decisão pela melhor opção de gerenciamento do lodo é resultado de estudos que consideram tanto o lado técnico-econômico, como as características locais e as questões ambientais e legais. Portanto, trata-se de uma atividade complexa, mas de extrema importância, principalmente em função da necessidade de promoção da qualidade de vida e ambiental.
Diante disso, é importante que os estudos sobre o lodo gerado nas ETE’s sejam continuados e aprofundados, como o objetivo de melhorar o gerenciamento do lodo realizado no Brasil, de modo a promover a sustentabilidade ambiental dos serviços de saneamento básico.
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